嵌入式硬件杂谈（七）IGBT MOS管 三极管应用场景与区别

引言：在现代嵌入式硬件设计中，开关元件作为电路中的重要组成部分，起着至关重要的作用。三种主要的开关元件——IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和三极管（BJT）各自具有不同的特点和适用场景。在嵌入式系统、电动汽车、工业自动化、逆变器、电源管理等领域，它们都扮演着不可或缺的角色。本篇文章将深入探讨这三种开关元件的应用场景、技术特点、面临的问题及它们之间的主要区别，帮助读者更好地理解这些元件的选择和应用。

目录

1.开关电路介绍

2.MOS管的问题

3.三极管的问题

4.IGBT的问题

5. 三者的主要区别

1.开关电路介绍

需要知道IGBT MOS管 三极管应用场景与区别，我们先了解下述的内容，首先就是开关电路，左图的开关是在一直开关不停切换的状态，那么电压的波形就是右边的一个PWM波形，比如电动汽车，他内部的模型就是一个电池加上一个电机，当然中间也需要一个电机调速器，因此这个电机调速器也是通过类似于开关来作用的。

因此你想开的快些，开关闭合时间就长些，否则闭合时间就短些。

其实变频空调的原理也是一样的，通过变频器，也就是开关电路的原理了。

2.MOS管的问题

你给他的gate施加高电平的时候，mos管的DS之间就等效为一个闭合的开关，那么反之给gate施加一个低电平的时候，mos管的DS之间就等效为一个断开的开关的状态。因为在高压的情况下，mos管的耐受能力不行，400V就到头了，很容易烧坏。

MOSFET是一种场效应晶体管，具有高输入阻抗和非常快的开关速度，广泛用于低功率、开关频率较高的应用。

应用场景：

低功率开关电源（SMPS）：MOSFET广泛用于开关电源中，特别是在较低电压下，如5V至100V的应用。

电动汽车充电器：在电动汽车充电器中，MOSFET用于高频开关，提供高效率的电压转换。

DC-DC转换器：MOSFET在DC-DC转换器中用作开关元件，能够实现高效的能量转换。

音频放大器：在音频放大器中，MOSFET用于高频率开关，能够提高音频信号的功率输出。

优点：

高速开关，适合高频应用。

开关损耗低，效率高。

结构简单，易于控制。

缺点：

电压承受能力相对较低，一般在200V以下，部分高压MOSFET可承受更高电压。

在大电流应用中可能出现较大的导通电阻，导致较高的导通损耗。

3.三极管的问题

如果考虑到三极管你还需要注意的是如何产生一个驱动的电流呢？用单片机肯定是不行的，他的IO口输出不了太高的电流，最多20mA，那是不是可以用mos管相加呢？

但是这样的电路是有问题的，需要额外的电源还有电阻，因此改成如下的状态会更好。

但是其实这样的电路结构就是IGBT了。

三极管是一种较早的半导体器件，它的工作原理基于电流控制，适用于高功率放大应用，但在开关性能上不如MOSFET和IGBT。

应用场景：

音频放大器：三极管常用于音频放大器中，能够提供高增益和线性放大。

模拟电路：在一些低频模拟电路中，三极管依然作为主要的增益元件使用。

低功率开关电路：虽然三极管的开关速度较慢，但在某些低功率、低频应用中仍然被使用。

优点：

高增益和较低的饱和压降。

在低频电路中具有良好的放大特性。

缺点：

开关速度较慢，不适合高频应用。

输入阻抗低，控制复杂。

热稳定性差，易产生热失控。

4.IGBT的问题

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）介绍

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种混合型半导体开关器件，结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极性结型晶体管）两者的优点。它将MOSFET的高输入阻抗和BJT的高电流承载能力结合起来，广泛应用于高功率和中高电压的电子控制系统中。

IGBT的基本结构与工作原理

IGBT的结构类似于一个MOSFET与BJT的组合，通常包括四层半导体材料（P-N-P-N结构），包括一个栅极、源极和漏极。它的工作原理基于以下几个步骤：

1. 栅极控制：输入电压通过栅极控制IGBT的开关状态。当栅极电压达到一定阈值时，IGBT被开启（导通状态），反之，关闭（断开状态）。

2. 载流子注入：当栅极电压足够高时，电子（或孔）通过源极注入到基极区，进而通过PNPN结构的作用进行载流子注入，产生集电极电流。类似于BJT的工作机制，IGBT在导通时可以通过基极区进行大电流流动。

3. 关断机制：当栅极电压降低到阈值以下时，IGBT关断，电流无法流过集电极与发射极之间，形成断开状态。

与BJT不同，IGBT的栅极由MOS结构控制，因此其输入特性类似MOSFET，具有很高的输入阻抗，不需要持续的控制电流。这使得它比BJT更容易驱动。

GBT结合了MOSFET的输入特性和BJT的输出特性，因此它在高电压和大电流应用中表现出色。

应用场景：

电动汽车：在电动汽车的电机驱动系统中，IGBT被广泛应用于电机调速器（例如逆变器）中。电动汽车的电机调速器通过开关频率调节电机的工作电流，实现精确控制。

变频器（VFD）：IGBT是工业用变频器中的核心开关元件，控制电机的速度和转矩，常用于空调、泵和风机等设备的驱动系统。

电力逆变器：IGBT在光伏逆变器和风力发电系统中广泛使用，用于将直流电转换为交流电。

电力电子转换器：在高功率电源和电力传输系统（如高压直流输电）中，IGBT用于开关控制，能够承受较高的电压和电流，适应高功率需求。

优点：

能够承受较高的电压（通常为600V至4500V）。

在较高电流下依然能保持较低的导通损耗。

开关速度适中，适合高功率控制。

缺点：

开关速度相对较慢，不适合高频应用。

导通损耗相对较大。

5. 三者的主要区别

特性	IGBT	MOSFET	三极管
控制方式	电压控制（类似MOSFET）	电压控制	电流控制
承受电压	高（600V~4500V）	中等（30V~1500V）	低（一般<100V）
承受电流	高（几十安培到几百安培）	低至中等	中等
开关速度	中等	高（适用于高频）	低
导通损耗	较大	较小	较小
效率	较高（高功率应用）	高（高频应用）	一般
适用场景	高功率、高电流的电力电子应用（电动汽车、电力逆变器等）	高频开关应用（电源、电动工具、电动汽车充电器等）	音频放大器、低频放大应用

IGBT 主要用于高功率、高电流的应用场合，适合电动汽车电机控制、逆变器等高功率控制系统。

MOSFET 适用于高频、高效率的开关电路，如开关电源、DC-DC转换器、电动汽车充电器等。

三极管 在低频模拟电路、音频放大器等领域仍有广泛应用，但在高频或高功率开关应用中逐渐被替代。